CN116305451B - 连续-非连续地质模型建立方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种连续‑非连续地质模型建立方法及装置，其中，方法包括：根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对三维地质模型进行网格剖分；获取地层岩体力学参数；基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围；根据非连续变形范围建立临时伺服边界面；标定非连续模型参数；根据初始应力场获取临时伺服边界面所在位置的法向应力值；删除所有临时伺服边界面；利用连续‑非连续耦合模型进行迭代计算。由此，解决了相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低等问题。
Description
技术领域
本申请涉及岩石力学数值方法技术领域，特别涉及一种连续-非连续地质模型建立方法及装置。
背景技术
地下硐室开挖、地下矿体开采会破坏岩体的原有平衡状态，导致围岩的应力重分布，岩体的应力重分布伴随着围岩变形，围岩体的变形经历屈服-开裂-破碎-垮落过程，由连续变形转为非连续变形。非连续变形无法采用常规连续介质方法计算，由此带来的计算力学问题被人广泛关注。例如：地下矿产资源未开采前，完整岩体具有一定的强度，能够保持整体稳定性，随下部矿体被开采后，上覆岩体产生开裂、错动、垮落至底板，整个过程由连续变形向非连续变形转变。现有的地下开采模拟大都采用连续介质方法，如有限元(ABAQUS、ANSYS、Plaxis3D)和有限差分方法(FLAC3D)，但是传统的连续介质力学方法难以模拟岩石破裂和块体破碎等非连续变形行为，而非连续介质力学方法存在计算效率瓶颈和参数难以确定的问题。
相关技术中，为满足工程尺度岩土体连续-非连续变形破坏研究的需要，基于FLAC(Fast Lagrangian Analysis Code)和PFC(Partical Flow Code)程序，实现了连续-非连续介质力学耦合分析技术，通过在离散区域和连续区域之间创建耦合墙体，离散元颗粒通过墙体向连续区域传递力与接触力矩，连续区域通过耦合墙体向离散元颗粒传递速度，进而实现连续-离散耦合计算。
然而，相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低，亟待改善。
发明内容
本申请提供一种连续-非连续地质模型建立方法及装置，以解决相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低等问题。
本申请第一方面实施例提供一种连续-非连续地质模型建立方法，包括以下步骤：根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对所述三维地质模型进行网格剖分；获取地层岩体力学参数，设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场；基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除所述非连续变形范围内的连续介质单元；根据所述非连续变形范围建立临时伺服边界面，并在所述伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，直至达到目标孔隙率时停止；标定非连续模型参数；根据所述初始应力场获取所述临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将所述法向应力值作为伺服目标应力，直到满足预设伺服条件；删除所有临时伺服边界面，并在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面，以使耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于第一预设阈值，得到耦合数值模型；以及按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述地层岩体力学参数包括不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角，且所述模型计算边界条件包括节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除所述非连续变形范围内的连续介质单元，包括：获取所述三维地质模型的类型；在所述类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定所述非连续变形范围；在所述类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定所述非连续变形范围。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述非连续模型参数包括颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力、接触的内摩擦角。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述预设伺服条件包括：所述临时伺服边界面的应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同。
本申请第二方面实施例提供一种连续-非连续地质模型建立装置，包括：第一建立模块，用于根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对所述三维地质模型进行网格剖分；第一获取模块，用于获取地层岩体力学参数，设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场；预判模块，用于基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除所述非连续变形范围内的连续介质单元；第二建立模块，用于根据所述非连续变形范围建立临时伺服边界面，并在所述伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，直至达到目标孔隙率时停止；标定模块，用于标定非连续模型参数；第二获取模块，用于根据所述初始应力场获取所述临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将所述法向应力值作为伺服目标应力，直到满足预设伺服条件；第三获取模块，用于删除所有临时伺服边界面，并在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面，以使耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于第一预设阈值，得到耦合数值模型；以及控制模块，用于按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述地层岩体力学参数包括不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角，且所述模型计算边界条件包括节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述预判模块包括：获取单元，用于获取所述三维地质模型的类型；第一确定单元，用于在所述类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定所述非连续变形范围；第二确定单元，用于在所述类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定所述非连续变形范围。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述非连续模型参数包括颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力、接触的内摩擦角。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述预设伺服条件包括所述临时伺服边界面的应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同。
本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的连续-非连续地质模型建立方法。
本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的连续-非连续地质模型建立方法。
本申请实施例可以建立三维地质模型，在数值计算中模拟岩土体的连续-非连续变形，保证计算精度的同时，节约计算时间，提高模型整体的计算效率，使模拟效果与工程实际更为符合，进而适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。由此，解决了相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低等问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种连续-非连续地质模型建立方法的流程图；
图2为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的流程图；
图3为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的三维地质模型示意图；
图4为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的连续单元示意图；
图5为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的临时伺服边界面建立示意图；
图6为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的非连续元单轴压缩试验曲线示意图；
图7为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的临时伺服边界面伺服控制示意图；
图8为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的模型耦合界面示意图；
图9为根据本申请一个实施例的连续-非连续地质模型建立方法的开挖完成后垂直开采方向覆岩移动变化云图；
图10为根据本申请实施例提供的一种连续-非连续地质模型建立装置的结构示意图；
图11为根据本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的连续-非连续地质模型建立方法及装置。针对上述背景技术中心提到的相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低的问题，本申请提供了一种连续-非连续地质模型建立方法，在该方法中，可以建立三维地质模型，在数值计算中模拟岩土体的连续-非连续变形，保证计算精度的同时，节约计算时间，提高模型整体的计算效率，使模拟效果与工程实际更为符合，进而适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。由此，解决了相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低的问题。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种连续-非连续地质模型建立方法的流程示意图。
如图1所示，该连续-非连续地质模型建立方法包括以下步骤：
在步骤S101中，根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对三维地质模型进行网格剖分。
在实际执行过程中，本申请实施例可以根据地质勘察资料，建立三维地质模型，并对计算模型进行网格剖分，其中，三维地质模型应足够大，以消除边界效应，且模型中地质构造和地层岩性应与地质勘察资料保持一致，能够在一定程度上反映地层的真实情况，从而为后续基于网格剖分后的模型预判非连续变形范围提供依据，保证模拟效果与工程实际更为符合，进而适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。
在步骤S102中，获取地层岩体力学参数，设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场。
可以理解的是，本申请实施例中的地层岩体力学参数可以为连续单元参数
作为一种可能实现的方式，本申请实施例中的地层岩体力学参数可以为连续单元参数，通过钻孔取芯得到不同地层完整岩样，进而开展室内三轴压缩试验和直接拉伸试验，获取地层岩体力学参数，本申请实施例可以设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场，其中，表1为完整岩体力学参数表，如表1所示：
表1
本申请实施例可以采用理想弹性本构模型，计算自重作用下的应力场、位移场，保证计算精度，节约计算时间，提高模型整体的计算效率。
可选地，在本申请的一个实施例中，地层岩体力学参数包括不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角，且模型计算边界条件包括节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面。
在实际执行过程中，本申请实施例可以获取不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角等地层岩体力学参数，并获取节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面等模型计算边界条件。
在步骤S103中，基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除非连续变形范围内的连续介质单元。
一些实施例中，由于三维地质模型是使用连续单元表示的，但整体模型包含了连续介质区域与非连续介质区域，因此，可以根据网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，并删除非连续变形范围内的连续介质单元，从而有利于后续划分连续-非连续计算区域，节约计算时间。
可选地，在本申请的一个实施例中，基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除非连续变形范围内的连续介质单元，包括：获取三维地质模型的类型；在类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定非连续变形范围；在类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定非连续变形范围。
在实际执行过程中，本申请实施例可以获取三维地质模型的类型，根据三维地质模型类型进行预判，当类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定非连续变形范围，如非连续变形范围采用工作面长度L1、工作面宽度W1、冒落带高度H1为尺寸建立的长方体区域；本申请实施例可以当类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定非连续变形范围，如非连续变形范围采用隧道长度L2，5倍隧道洞径为宽度W2和高度H2为尺寸建立的长方体区域。
需要说明的是，选取的长方体区域理论上应该大于等于非连续变形范围，记录此时的非连续变形范围尺寸长宽高分别为L、W、H。
本申请实施例可以获取三维地质模型的类型，并根据不同模型类型确定预判非连续变形范围，从而模拟连续-非连续变形，使得模拟效果与工程实际更为符合。
在步骤S104中，根据非连续变形范围建立临时伺服边界面，并在伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，直至达到目标孔隙率时停止。
可以理解的是，本申请实施例中的球形小粒径颗粒，采用等粒径颗粒，粒径尺寸小于模型范围最短边的1/10，本申请实施例中的目标孔隙率可以为孔隙总体积与封闭空间体积的比值为0.28～0.4之间的某个数。
另一些实施例中，可以建立临时伺服边界面，临时伺服边界面是PFC3D中的墙体单元，作为非连续元的物理边界，临时伺服边界面根据非连续变形范围建立，且大于非连续变形范围边界面，以保证伺服边界面所围成的空间是封闭空间，本申请实施例可以在伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，当达到目标孔隙率时停止，从而进行非连续伺服控制，保证计算精度，节约计算时间。
在步骤S105中，标定非连续模型参数。
在实际执行过程中，本申请实施例可以标定非连续模型参数，如通过开展单轴压缩试验数值模拟，采用圆柱形试样，试样颗粒粒径与三维地质模型中的颗粒粒径保持一致，从而标定非连续模型参数，进而模拟连续-非连续变形，使得模拟效果与工程实际更为符合，适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。
可选地，在本申请的一个实施例中，非连续模型参数包括颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力、接触的内摩擦角。
在实际执行过程中，本申请实施例可以通过颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力和接触的内摩擦角等非连续模型参数，保证模拟效果与工程实际更为符合。
在步骤S106中，根据初始应力场获取临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将法向应力值作为伺服目标应力，直到满足预设伺服条件。
一些情况下，本申请实施例可以根据计算得到的初始应力场，获取临时伺服边界面的目标应力σxx，σyy，σzz，边界伺服过程仅针对非连续元，伺服期间需要固定连续元节点的位移，保证连续元是静止的，伺服结束后解除连续元节点的约束。
本申请实施例可以根据初始应力场获取临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将法向应力值作为伺服目标应力，直到满足一定伺服条件，从而节约计算时间，提高整体计算效率。
需要说明的是，预设伺服条件可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。
可选地，在本申请的一个实施例中，预设伺服条件包括：临时伺服边界面的应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同。
其中，本申请实施例中的伺服条件包括但不限于：临时伺服边界面应力达目标应力值、伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸L、W、H相同。
本申请实施例中的伺服过程具体流程如下：首先，预设临时伺服边界面的目标应力σxx，σyy，σzz；然后，设置临时伺服边界面法向移动速度，其中，顶面法向移动方向向下，底面法向移动速度向上，左面法向移动方向向右，右面法向移动方向向左，前面法向移动速度向后，后面法向移动速度向前；最后，判断临时伺服边界面移动过程中是否达到伺服条件。
以顶面应力伺服控制为例：
顶面临时伺服边界面实际所受应力σzz′计算表达式如下：
其中，N为非连续元与伺服边界面的接触数量，F为非连续元与伺服边界的接触力大小，S为伺服边界面实际作用面积。
顶面临时伺服边界面的移动速度vzz计算表达式如下：
其中，σzz为顶面临时伺服边界面的目标应力，H′为当前伺服试验高度，H为伺服目标高度，Δt表示计算时步，计算时步可直接获取。
本申请实施例可以在满足临时伺服边界面的应力达目标应力值、伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同等一定伺服条件时，进一步地保证计算精度，节约计算时间，提高整体计算效率。
在步骤S107中，删除所有临时伺服边界面，并在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面，以使耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于第一预设阈值，得到耦合数值模型。
可以理解的是，本申请实施例中的耦合界面可以为采用“wall-zone”命令建立的耦合界面，用于传递连续与非连续介质的数据传递。
在实际执行过程中，本申请实施例可以首先，删除所有临时伺服边界面；其次，在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面；最后，耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于1e-5，得到耦合数值模型，进而保证耦合数值模型建立完成，保证连续-非连续耦合模型地应力平衡。
在步骤S108中，按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束。
作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以进行连续-非连续变形模拟，按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束，从而建立连续-非连续地质模型，实现了岩体渐进破坏连续-非连续变形力学行为的模拟，保证模拟效果与工程实际更为符合，适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。
具体地，结合图2至图9所示，以一个具体实施例对本申请实施例的连续-非连续地质模型建立方法的工作原理进行详细阐述。
如图2所示，本申请实施例可以包括以下步骤：
步骤S201：根据地质勘察资料，建立三维地质模型，对计算模型进行网格剖分。本申请实施例中的三维地质模型应足够大以消除边界效应，而且模型中地质构造和地层岩性应与地质勘察资料保持一致，能够在一定程度上反映地层的真实情况。
步骤S202：获取地质岩体力学参数，设置模型计算边界条件，在自重应力作用下求解初始应力场。本申请实施例中的地层岩体力学参数指连续单元参数，通过钻孔取芯得到不同地层完整岩样，进而开展室内三轴压缩试验和直接拉伸试验，获取模型中不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角；本申请实施例中的计算边界条件采用节点位移约束边界，模型四周采用法向约束，模型底面全约束，模型顶面为自由边界面；本申请实施例中的求解初始应力场采用理想弹性本构模型，计算自重作用下的应力场、位移场。
步骤S203：预判非连续变形范围，并删除该范围内的连续介质单元。本申请实施例需要根据计算模型类型来预判非连续变形范围，如果是地下开采模型，则非连续变形范围采用工作面长度L1、工作面宽度W1、冒落带高度H1为尺寸建立的长方体区域；如果是隧道开挖模型，则非连续变形范围采用隧道长度L2，5倍隧道洞径为宽度W2和高度H2为尺寸建立的长方体区域，所选取的长方体区域理论上应该大于等于非连续变形范围。记录此时的非连续变形范围尺寸长宽高分别为L、W、H。
步骤S204：建立临时伺服边界面，随后，在伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，当达到目标孔隙率时停止。本申请实施例中的临时伺服边界面是PFC3D中的墙体单元，作为非连续元的物理边界，临时伺服边界面根据非连续变形范围建立，且大于非连续变形范围边界面，以保证伺服边界面所围成的空间是封闭空间；本申请实施例中的球形小粒径颗粒，采用等粒径颗粒，粒径尺寸小于模型范围最短边的1/10；本申请实施例中的目标孔隙率是孔隙总体积与封闭空间体积的比值为0.28～0.4之间的某个数。
步骤S205：非连续模型参数标定。本申请实施例可以开展单轴压缩试验数值模拟，标定颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力、接触的内摩擦角，其中，单轴压缩数值模拟试验，采用圆柱形试样，试样颗粒粒径要与三维地质模型中的颗粒粒径保持一致。
步骤S206：根据计算得到的初始应力场，获取临时伺服边界面所在位置的法向应力值，将该应力值作为伺服目标应力，直到满足伺服条件。本申请实施例可以根据计算得到的初始应力场，获取临时伺服边界面的目标应力σxx，σyy，σzz。边界伺服过程仅针对非连续元，伺服期间需要固定连续元节点的位移，保证连续元是静止的，伺服结束后解除连续元节点的约束。
本申请实施例中的伺服条件如下：临时伺服边界面应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸L、W、H相同。
本申请实施例中的伺服过程具体流程如下：首先，预设临时伺服边界面的目标应力σxx，σyy，σzz；然后，设置临时伺服边界面法向移动速度，其中顶面法向移动方向向下，底面法向移动速度向上，左面法向移动方向向右，右面法向移动方向向左，前面法向移动速度向后，后面法向移动速度向前；最后，判断临时伺服边界面移动过程中是否达到伺服条件。
步骤S207：连续-非连续耦合模型地应力平衡。本申请实施例可以首先，删除所有临时伺服边界面；其次，在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面；最后，耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于1e-5，耦合数值模型建立完成。
步骤S208：连续-非连续变形模拟。本申请实施例可以首先，按照开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型；然后，连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于1e-5，当前开挖完成，保存此时的计算模型，然后执行下一步开挖，直到开挖结束。
如图3所示，本申请实施例可以根据地质勘察资料，建立三维地质模型，对计算模型进行网格剖分，根据地质勘察资料，建立大尺度地下开采三维数值模型，采用六面网格划分，模型长700m，宽500m，高230m，其中，工作面长度为300m，宽度为100m，埋深150m，煤层厚度5m。
如图4所示，本申请实施例可以预判非连续变形范围，并删除该范围内的连续介质单元，可以预判非连续变形范围，其中，由于地质模型用于地下开采模拟，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)，地下开采冒落带岩体高度取15m。将煤层以上冒落带高度范围内的岩层预判为非连续变形范围，其长度为300m，宽度为100m，高度为15m，并删除该范围内的连续介质单元。
本申请实施例可以建立临时伺服边界面，如图5所示，随后，在伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，当达到目标孔隙率时停止。
接下来，如图6所示，本申请实施例中，非连续介质单元的参数通过单轴压缩数值模拟试验进行标定，表2为细观参数表，其中，如表2所示：
表2
如图7所示，本申请实施例可以根据地质模型的初始应力场，获取临时伺服边界面的法向应力值σxx＝-1MPa，σyy＝-1MPa，σzz＝-4MPa，按照边界法向应力对非连续元进行应力伺服控制，使其处于XX、YY、ZZ三向压缩应力状态，临时伺服边界目标应力值为σxx＝-1MPa，σyy＝-1MPa，σzz＝-4MPa，且最终尺寸与非连续变形范围的尺寸相同。
为实现连续-非连续耦合模型地应力平衡，如图8所示，本申请实施例可以删除所有临时伺服边界面，在连续介质模型和非连续介质模型相交的界面之间建立耦合界面，耦合模型在自重作用下，迭代至最大不平衡力小于1e-5，耦合数值模型建立完成。
接下来，如图9所示，本申请实施例可以进行连续-非连续变形模拟，按照开采步距，依次将开采对象设置为Null模型，每设置一次，模型迭代计算至平衡，而后保存计算模型，如此循环，直到开挖结束。
根据本申请实施例提出的连续-非连续地质模型建立方法，可以建立三维地质模型，在数值计算中模拟岩土体的连续-非连续变形，保证计算精度的同时，节约计算时间，提高模型整体的计算效率，使模拟效果与工程实际更为符合，进而适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。由此，解决了相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低的问题。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的连续-非连续地质模型建立装置。
图10是本申请实施例的连续-非连续地质模型建立装置的结构示意图。
如图10所示，该连续-非连续地质模型建立装置10包括：第一建立模块100、第一获取模块200、预判模块300、第二建立模块400、标定模块500、第二获取模块600、第三获取模块700和控制模块800。
具体地，第一建立模块100，用于根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对三维地质模型进行网格剖分。
第一获取模块200，用于获取地层岩体力学参数，设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场。
预判模块300，用于基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除非连续变形范围内的连续介质单元。
第二建立模块400，用于根据非连续变形范围建立临时伺服边界面，并在伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，直至达到目标孔隙率时停止。
标定模块500，用于标定非连续模型参数。
第二获取模块600，用于根据初始应力场获取临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将法向应力值作为伺服目标应力，直到满足预设伺服条件。
第三获取模块700，用于删除所有临时伺服边界面，并在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面，以使耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于第一预设阈值，得到耦合数值模型。
控制模块800，用于按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束。
可选地，在本申请的一个实施例中，地层岩体力学参数包括不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角，且模型计算边界条件包括节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面。
可选地，在本申请的一个实施例中，预判模块300包括：获取单元、第一确定单元和第二确定单元。
其中，获取单元，用于获取三维地质模型的类型。
第一确定单元，用于在类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定非连续变形范围。
第二确定单元，用于在类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定非连续变形范围。
可选地，在本申请的一个实施例中，非连续模型参数包括颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力、接触的内摩擦角。
可选地，在本申请的一个实施例中，预设伺服条件包括临时伺服边界面的应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同。
需要说明的是，前述对连续-非连续地质模型建立方法实施例的解释说明也适用于该实施例的连续-非连续地质模型建立装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的连续-非连续地质模型建立装置，可以建立三维地质模型，在数值计算中模拟岩土体的连续-非连续变形，保证计算精度的同时，节约计算时间，提高模型整体的计算效率，使模拟效果与工程实际更为符合，进而适用于大尺度围岩体渐进破坏的模拟。由此，解决了相关技术中，常规连续元地质模型，难以考虑发生的非连续变形现象，不适用于地下开采、硐室开挖等发生围岩大变形现象的模拟，而采用非连续元地质模型，又难以优化计算时间，模型整体计算效率低的问题。
图11为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器1101、处理器1102及存储在存储器1101上并可在处理器1102上运行的计算机程序。
处理器1102执行程序时实现上述实施例中提供的连续-非连续地质模型建立方法。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口1103，用于存储器1101和处理器1102之间的通信。
存储器1101，用于存放可在处理器1102上运行的计算机程序。
存储器1101可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器1101、处理器1102和通信接口1103独立实现，则通信接口1103、存储器1101和处理器1102可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图11中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选地，在具体实现上，如果存储器1101、处理器1102及通信接口1103，集成在一块芯片上实现，则存储器1101、处理器1102及通信接口1103可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器1102可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的连续-非连续地质模型建立方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种连续-非连续地质模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对所述三维地质模型进行网格剖分；
获取地层岩体力学参数，设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场；
基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除所述非连续变形范围内的连续介质单元；
根据所述非连续变形范围建立临时伺服边界面，并在所述伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，直至达到目标孔隙率时停止；
标定非连续模型参数；
根据所述初始应力场获取所述临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将所述法向应力值作为伺服目标应力，直到满足预设伺服条件，其中，所述临时伺服边界面的边界伺服过程针对非连续元，伺服期间固定连续元节点的位移，保持连续元静止，并在伺服结束后解除所述连续元节点的约束，所述伺服过程包括：预设所述临时伺服边界面的目标应力σxx，σyy，σzz；设置所述临时伺服边界面法向移动速度，其中，顶面法向移动方向向下，底面法向移动速度向上，左面法向移动方向向右，右面法向移动方向向左，前面法向移动速度向后，后面法向移动速度向前；判断所述临时伺服边界面移动过程是否达到所述预设伺服条件，并且所述预设伺服条件包括：所述临时伺服边界面的应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同；
删除所有临时伺服边界面，并在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面，以使耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于第一预设阈值，得到耦合数值模型；以及
按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地层岩体力学参数包括不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角，且所述模型计算边界条件包括节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除所述非连续变形范围内的连续介质单元，包括：
获取所述三维地质模型的类型；
在所述类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定所述非连续变形范围；
在所述类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定所述非连续变形范围。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非连续模型参数包括颗粒单元的密度、有效模量、法向切向刚度比、接触的抗拉强度、接触的内聚力、接触的内摩擦角。
5.一种连续-非连续地质模型建立装置，其特征在于，包括：
第一建立模块，用于根据地质勘察资料建立三维地质模型，并对所述三维地质模型进行网格剖分；
第一获取模块，用于获取地层岩体力学参数，设置模型计算边界条件，并在自重应力作用下求解初始应力场；
预判模块，用于基于网格剖分后的模型，预判非连续变形范围，删除所述非连续变形范围内的连续介质单元；
第二建立模块，用于根据所述非连续变形范围建立临时伺服边界面，并在所述伺服边界面所围成的封闭空间内部填充球形小粒径颗粒，直至达到目标孔隙率时停止；
标定模块，用于标定非连续模型参数；
第二获取模块，用于根据所述初始应力场获取所述临时伺服边界面所在位置的法向应力值，并将所述法向应力值作为伺服目标应力，直到满足预设伺服条件其中，所述临时伺服边界面的边界伺服过程针对非连续元，伺服期间固定连续元节点的位移，保持连续元静止，并在伺服结束后解除所述连续元节点的约束，所述伺服过程包括：预设所述临时伺服边界面的目标应力σxx，σyy，σzz；设置所述临时伺服边界面法向移动速度，其中，顶面法向移动方向向下，底面法向移动速度向上，左面法向移动方向向右，右面法向移动方向向左，前面法向移动速度向后，后面法向移动速度向前；判断所述临时伺服边界面移动过程是否达到所述预设伺服条件，并且所述预设伺服条件包括：所述临时伺服边界面的应力达目标应力值；伺服后的临时伺服边界面所围成的空间尺寸与非连续变形范围尺寸相同；
第三获取模块，用于删除所有临时伺服边界面，并在连续介质模型和非连续介质模型的界面之间生成耦合界面，以使耦合模型在重力作用下，迭代至最大不平衡力小于第一预设阈值，得到耦合数值模型；以及
控制模块，用于按照预设开挖步距，将模型中开挖对象依次设置为Null模型，并利用连续-非连续耦合模型进行迭代计算，当模型中最大不平衡力低于第二预设阈值，当前开挖完成，保存当前的计算模型，并执行下一步开挖，直到开挖结束。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述地层岩体力学参数包括不同地层的弹性模量、密度、泊松比、单轴拉伸强度、粘聚力和内摩擦角，且所述模型计算边界条件包括节点位移约束边界、模型四周采用法向约束、模型底面全约束和模型顶面为自由边界面。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预判模块包括：
获取单元，用于获取所述三维地质模型的类型；
第一确定单元，用于在所述类型是地下开采模型类型时，根据工作面长度、工作面宽度、冒落带高度确定所述非连续变形范围；
第二确定单元，用于在所述类型是隧道开挖模型类型时，根据隧道长度，隧道洞径的宽度和高度确定所述非连续变形范围。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-4任一项所述的连续-非连续地质模型建立方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-4任一项所述的连续-非连续地质模型建立方法。
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